基于RFID的礦山井下人員定位系統(tǒng)設計

1、基于RFID 的礦山井下人員定位系統(tǒng)設計傅智河(龍巖學院物理與機電工程學院福建龍巖364000摘要:針對目前礦井井下通信系統(tǒng)功能不完善,技術與實現(xiàn)復雜的現(xiàn)狀,提出了一種基于RFID 技術的井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)。詳細介紹了定位原理與具體實現(xiàn)過程,對改善礦山的安全生產(chǎn)管理有著重要的現(xiàn)實意義。關鍵詞:人員定位;RFID;定位系統(tǒng)中圖分類號:TD65文獻標識碼:A文章編號:1673-4629(200706-0050-03收稿日期:20070625作者簡介:傅智河(1970,男,福建上杭人,講師,主要研究方向:電子技術應用。龍巖學院學報隨著國家對礦山企業(yè)安全問題的日益重視和監(jiān)管力度的不斷加強,以及礦井機

2、械化程度的不斷提高,建立一套有效可靠的人員監(jiān)控和調度系統(tǒng)已成為許多礦山企業(yè)管理的迫切要求之一。但目前礦井下還普遍存在入井人員管理困難,井上人員難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況,一旦事故發(fā)生,對井下人員的搶救缺乏可靠信息,搶險救災、安全救護的效率低,效果不理想。由此,建立可靠實用的井下人員定位系統(tǒng),消除地面管理人員對井下作業(yè)人員視野盲區(qū),提高對井下作業(yè)人員的有效監(jiān)控和調度,增強礦井災害發(fā)生時井下作業(yè)人員的快速反應能力,以改善礦山的安全生產(chǎn)管理有著重要的現(xiàn)實意義。射頻識別(Radio Frequency Identification,簡稱RFID技術,目前在國內外己引起廣泛關注。在我國,也

3、已經(jīng)有很多場合應用這種技術了,比如,學校食堂用的“金龍卡”、公交車使用的月票卡等等,都是RFID 技術的典型應用。鑒于此,我們同樣可以把這項技術應用到礦井中來,為災后救援工作提供相關人員和貴重物品確切地理位置。這樣便可在最短時間內開展緊急救援工作,大大縮短救援的時間,提高救助效率。1射頻識別系統(tǒng)及主要特點RFID 技術起源于8O 年代中期,9O 年代后得到了極為迅速的發(fā)展。它利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信,以達到識別目的并交換數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)存儲在電子數(shù)據(jù)載體(稱應答器或標簽之中。然而,應答器的能量供應以及應答器與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交換不是通過電流的觸點接通而是通過磁場或電磁場,這方面采用了無線

4、電和雷達技術。它是自動設備識別中最優(yōu)秀和應用領域最廣泛的技術之一。與傳統(tǒng)的磁卡、IC 卡相比,射頻卡最大的特點就在于非接觸,因此完成識別工作時無須人工干預,適合于實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化且不易損壞,可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡,操作快捷方便。短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境,可以代替條形碼;長距離的產(chǎn)品多用于交通上,識別距離可達幾十米,可用在自動收費及車輛自動識別等場合1。1.1射頻識別系統(tǒng)一個典型的RFID 系統(tǒng)由讀寫器,應答器和數(shù)據(jù)管理、處理單元組成。RFID 系統(tǒng)分為有源和無源兩類,有源RFID 系統(tǒng)的應答器由電池提供能量,無源RFID 系統(tǒng)的應答器則沒有電池。無源RFI

5、D 系統(tǒng)(如圖1所示由于其應答器具有結構簡單、成本低、壽命長等優(yōu)點,近年來發(fā)展較快?？刂颇K射頻模塊天線天線數(shù)據(jù)解調數(shù)據(jù)調制能量檢測控制邏輯EPPROM讀寫器應答器數(shù)據(jù)處理圖1無源RFID 系統(tǒng)組成在無源RFID 系統(tǒng)中,應答器工作的能量由讀寫器發(fā)出的射頻信號提供。應答器由電子數(shù)據(jù)處理、存儲設備(通常是單個的微小芯片和天線組成。當應答器進入讀寫器的能量場,應答器的能量檢測電路將射頻信號轉化為直流信號,供其工作。同時,芯片內部的數(shù)據(jù)解調部分從接收到的射頻信號中解調出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯?？刂七壿嬝撠煼治鰯?shù)據(jù)并執(zhí)行相應操作,包括從EPPROM 讀數(shù)據(jù)或寫入數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)(如應答器ID 和其他用戶數(shù)據(jù)等

6、調制并發(fā)送出去。1.2射頻識別系統(tǒng)主要特點有下面幾點。數(shù)據(jù)量大,根據(jù)需要可傳輸除識別信息外的目標的身份信息、運行狀態(tài)等;信息處理速度快,在某些應用場合可以達到幾十個50微秒;保密性高,未經(jīng)允許幾乎不能復制與修改數(shù)據(jù);具有很強的環(huán)境適應性,抗干擾能力強,可在全天候下使用,幾乎不受污染與潮濕的影響,同時還避免了機械上的磨損;一種系統(tǒng)可以滿足多用途的要求,可以實現(xiàn)多目標識別、運動目標識別;系統(tǒng)可靠性高,操作方便快捷;2礦山井下人員定位系統(tǒng)總體設計思路2.1系統(tǒng)概述系統(tǒng)由KJX0502讀寫器(工作頻段902928MHz,最大讀寫距離可達10m2、安裝在安全帽內的人員隨身攜帶應答器、礦井專用處理傳輸分站

7、(含發(fā)射天線、接受天線、數(shù)據(jù)傳輸接口、地面中心站軟件組成。當攜帶應答器的人員通過井下專用處理傳輸分站區(qū)域時,應答器立即發(fā)射出具有代表身份特征的射頻信號,經(jīng)目標識別器接收并通過專用處理傳輸分站發(fā)送到地面中心站。地面中心站接收來自井下專用處理傳輸分站上的編碼信號,實現(xiàn)對井下人員跟蹤定位信息的采集、分析處理、實時顯示歷史數(shù)據(jù)、存儲報表和查詢打印等功能。使管理人員能及時準確的查詢各種信息,方便作業(yè)人員和設備的調度和管理,提高和優(yōu)化礦山的整體管理水平。2.2系統(tǒng)原理及構成井下分站設備的人員信息采集處理板(如圖2所示將加密數(shù)據(jù)載波信號經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送;隨身攜帶的應答器進入高頻的發(fā)射天線工作區(qū)域后被激活(

8、未進入發(fā)射天線工作區(qū)域標識卡不工作,同時將加密的載有目標識別碼的信息經(jīng)卡內高頻發(fā)射模塊發(fā)射出去;接收天線接收到應答器發(fā)來的載波信號,經(jīng)分站人員信息采集處理板接收處理后,提取出目標識別碼,并經(jīng)人員信息傳輸處理板送至地面計算機,完成預設的系統(tǒng)功能,從而實現(xiàn)目標的自動化管理。LED 信號強度顯示燈3V電池電源控制開關預留串行接口USART DCC微控制器SCLSDA射頻識別模塊(RFID利用I2C總線傳輸數(shù)據(jù)天線圖2人員信息采集處理板結構圖用一定數(shù)量的監(jiān)測站點(讀卡器成網(wǎng)地設立在需要監(jiān)控的地方,分布區(qū)域的大小可視井下具體環(huán)境而定?？梢宰詣佑涗浽擖c人員的編碼和通過時間,從而確定井下人員在任一時刻在井下

9、所處的區(qū)域,便于統(tǒng)一管理,并在災害發(fā)生時,能指導救災工作快速有效的進行,系統(tǒng)構成如圖3所示。地面部分由數(shù)據(jù)通信接口、主機(含監(jiān)控管理軟件等組成。其中通信接口是將井下的RS485轉換為監(jiān)控計算機RS232串口信號;含人員安全管理系統(tǒng)的主機能實現(xiàn)對信息的自動化管理,在計算機屏幕上直觀動態(tài)顯示井下人員的分布情況,使管理層一目了然。主機井下天線天線天線天線天線天線地面讀卡器讀卡器讀卡器讀卡器接口圖3礦井井下人員定位系統(tǒng)結構圖2.3系統(tǒng)軟件功能礦山井下人員安全管理系統(tǒng)是在Widows XP環(huán)境下以SQL Server2000數(shù)據(jù)庫為核心并采用Client/Server模式開發(fā)而成3,系統(tǒng)模塊如圖4所示,

10、管理系統(tǒng)具有如下功能:實時定位跟蹤查詢。實時查詢井下人員動態(tài)分布情況及數(shù)量;查詢指定人員當日或某日的活動軌跡。數(shù)據(jù)統(tǒng)計。將各類信息統(tǒng)計匯總,按指定的格式生成任一時間段內職工下井狀況統(tǒng)計表、出勤狀況統(tǒng)計表等?？记诠δ?。對下井人員上下井時間、下井次數(shù)、停留時間等信息分類統(tǒng)計,自動生成考勤報表。救護功能。當發(fā)現(xiàn)井下工作人員下班后丟失或發(fā)生塌方、瓦斯爆炸、突水淹井等災害時,可迅速確定井下災區(qū)人員的位置、數(shù)量、身份等信息,為搶險救災迅速提供準確的依據(jù),將損失減少到最小。礦山井下人員安全管理系統(tǒng)管理員登陸安時定位跟蹤查詢數(shù)據(jù)統(tǒng)計考勤功能救護功能圖4礦山井下人員安全管理系統(tǒng)模塊圖513結束語礦山井下通信系統(tǒng)

11、對礦業(yè)安全生產(chǎn)與管理意義重大。礦山井下地形復雜,無線信號衰減嚴重,使得目前大多井下通信系統(tǒng)不僅功能簡單,而且技術復雜,造價較高,不能較好地應用于實際生產(chǎn)過程中?；赗FID技術的礦山井下人員定位系統(tǒng)通過有線與無線結合的方式,該技術可遠距離同時識別多個移動目標的特點,結合計算機網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫儲存管理、統(tǒng)計計算等方面的優(yōu)點,可實時查詢井下工作人員的位置,為人員調度、礦井突發(fā)性事故的救助工作帶來了很大的方便。相信隨著電子標簽技術的發(fā)展和普及,射頻識別技術將極大地促進我國礦山企業(yè)的整體管理水平,減少安全事故的發(fā)生。參考文獻:2周曉光.射頻識別技術原理與應用實例M.北京:人民郵電出版社,2006

12、.3曹軍生.SQL Server2000實用教程M.北京:北京理工大學出版社,2004.責任編輯:邱維敦Design of Mine Personnel Orientation System Based on RFIDFU Zhi-heAbstract:The author proposes a monitoring system based on the RFID for miners on duty to solve the present problems of imperfect communication system in mine and complicated technology.The author also introduces in detail the principle of the system and th